O que é Instabilidade de Fluxo – Definição

Instabilidade de fluxo

Em geral, existem várias instabilidades que podem ocorrer em sistemas de duas fases . Na engenharia nuclear , o estudo da estabilidade de fluxo multifásico é importante no gerenciamento de acidentes de reatores de água pressurizada e da maior importância em condições normais / anormais em reatores de água fervente .

Em PWRs em operação normal, o fluxo é considerado monofásico. Porém, muitos estudos foram realizados sobre a instabilidade do fluxo em caso de transientes e acidentes (como o acidente com perda de refrigerante – LOCA ou o disparo de RCPs com presença de circulação natural ) , em que oscilações ou reversões de fluxo podem ocorrer. ocorrer.

As oscilações de fluxo são variações no fluxo causadas especialmente por formações vazias e são indesejáveis ​​por várias razões.

• As oscilações de fluxo podem causar tensões mecânicas indesejáveis nos componentes do combustível (como grades espaçadoras). Isso pode levar à falha desses componentes devido à fadiga.
• As oscilações de fluxo afetam as características locais de transferência de calor . No caso de PWRs , a questão crítica de segurança é denominada DNB ( partida da ebulição nucleada ), que causa a formação de uma camada de vapor local , causando uma redução drástica na capacidade de transferência de calor. Verificou-se através de testes que o fluxo de calor crítico (CHF) necessário para a saída da ebulição nucleada (DNB) pode ser reduzido em até 40% quando o fluxo está oscilando. Isso reduz severamente o limite térmico e a densidade de potência ao longo do comprimento do núcleo do reator .

As oscilações de fluxo podem ser um problema durante operações de circulação natural (por exemplo, após o disparo de todos os RCPs). A circulação natural é uma característica importante do projeto e o melhor mecanismo de remoção de calor. Devido às baixas taxas de vazão, pode ocorrer uma ebulição do líquido refrigerante e isso pode formar oscilações de fluxo. Durante a circulação natural, as bolhas de vapor formadas durante uma oscilação de fluxo podem ter efeito suficiente para realmente causar a reversão completa do fluxo no canal afetado.

Nos BWRs, a evaporação do líquido refrigerante ocorre em operação normal e é um fenômeno muito desejado. Por outro lado, a evaporação convectiva no canal de combustível faz com que o padrão de fluxo seja alterado ao longo do canal de combustível, dependendo da taxa de fluxo e da energia térmica. Verificou-se que existem regiões de instabilidade , nas quais podem surgir instabilidades de fluxo em duas fases. Essas instabilidades de fluxo bifásicas são indesejáveis, pois podem resultar em vibrações mecânicas e problemas de controle do sistema, afetar a operação normal, restringir os parâmetros operacionais e influenciar a segurança do reator. Deve-se notar que a estabilidade do fluxo nos BWRs não é uma questão importante há muitos anos, porque é um fenômeno bem conhecido.

Em geral, existem muitas classificações de instabilidades de fluxo. A seguinte classificação é baseada em mecanismos fundamentais termo-hidráulicos:

As instabilidades estáticas são:

• Excursão de fluxo
• Crise fervente
• Tipos de relaxamento, incluindo transição do padrão de fluxo

As instabilidades dinâmicas são:

• Oscilações de ondas de densidade
• Oscilações de queda de pressão
• Oscilações térmicas .

A caracterização adequada das instabilidades e as condições para sua ocorrência podem determinar a operação ideal e segura dos sistemas. A explicação mais aceita para a ocorrência do tipo dinâmico de instabilidades denominadas oscilações de ondas de densidade (DWO) .

A onda de densidade causa um atraso na queda de pressão local causada por uma mudança no fluxo de entrada. Devido a esse atraso, a soma de todas as quedas de pressão locais pode resultar em uma queda total que está fora de fase com o fluxo de entrada. O mecanismo básico que causa instabilidades de fluxo nos BWRs é a onda de densidade. Os períodos característicos dessas oscilações estão associados ao tempo necessário para uma partícula de fluido percorrer todo o loop.

Tipos de instabilidades observadas nos BWRs

• Instabilidades do sistema de controle. As instabilidades do sistema de controle estão relacionadas à ação dos controladores que, através de atuadores, tentam regular algumas das variáveis ​​do reator.
• Instabilidades de fluxo de canal. Este tipo de instabilidade pode ser descrito da seguinte forma: Vamos assumir uma perturbação do fluxo. Essa perturbação causa uma “onda” de vazios viajando para cima através do canal, produzindo uma queda de pressão em duas fases (a queda de pressão aumenta significativamente à medida que a fração de vazios aumenta) que é atrasada em relação à perturbação original. Um aumento na queda de pressão do canal (onda de densidade) pode levar à instabilidade na taxa de fluxo.
• Instabilidade neutrônica-termo-hidráulica acoplada. O tipo dominante de instabilidades nos BWRs comerciais é a instabilidade neutrônica-termo-hidráulica acoplada (também conhecida como instabilidade da reatividade ). A geração de energia em BWRs está diretamente relacionada ao fluxo de nêutrons de combustível , que está fortemente relacionado à fração média de vazios nos canais principais. Esse efeito é conhecido como feedback de reatividade . O feedback de reatividade causado por alterações na fração de vazio ( coeficiente de vazio ) é atrasado à medida que os vazios viajam para cima através do canal de combustível. Em alguns casos, o atraso pode ser longo o suficiente e o feedback nulopode ser forte o suficiente para que a configuração do reator se torne instável. Nesse caso, o fluxo de nêutrons pode oscilar.

Referências especiais:

• Francesco D’Auria, The BWR Stability Issue, THICKET 2008 – Sessão IX – Documento 26
• Dag Strømsvåg, Mecanismos fundamentais das oscilações das ondas de densidade e o efeito do sub-resfriamento, NTNU, 2011.
• J. March-Leuba, Instabilidades de ondas de densidade em reatores de água fervente. NUREG / CR-6003, ORNL, 1992.